基于ANSYS的高速切削涂层刀具仿真分析

在ANSYS Launcher界面中，选择ANSYS Mechanical/LS-DYNA1、菜单过滤Main Menu→Preprocessor→LD-DYNA Explicit→OK2、设置文件名及分析标题Utility Menu→File→change Jobname→2D cutting→New log and error file ：YES→OKUtility Menu→File→change Title→cutting analysis →OK3、选择单元类型Main menu→preprocessor→Element Type→Add/Edit/Delete→Add→2D solid 162→OK→options→选择const.stress ；Lagrangian→OK4、定义材料模型1）定义刀具材料模型Main menu→preprocessor→Material Props→Material Models→rigid material→输入:DENS:5.2e3 ；EX：4。

1e11 ；NUXY：0.3 ；选择“Y and Zdisps” ;“All rotations”→OK （2) 定义工件Johnson—cook材料模型Main menu→preprocessor→Material Props→Material Models→Gruneisen→Johnson-cook→输入: DENS:7.8e3 ;EX：2。

06e11 ；NUXY：0.3A：507；B：320；C:0.28；n;0。

064；m=1。

06D1:0。

15；D2:0。

72；D3：1。

66;D4:0.005；D5：--0。

845、创建几何模型（1)创建工件模型Main menu→preprocessor→Create→Areas→Rectangle→By Dimensions→输入：X1，X2：0,5;Y1，Y 2：0，3→OK（2）创建刀片模型Main menu→preprocessor→Create→Keypionts→In Active CS→依次输入：keypoint number：5，X、Y、Z ：5.1，2.9，0；keypoint number：6，X、Y、Z ：6，3。

1绪论金属切削是机械制造行业中的一类重要的加工手段。

美国和日本每年花费在切削加工方面的费用分别高达1000 亿美元和10000亿日元。

中国目前拥有各类金属切削机床超过300 万台, 各类高速钢刀具年产量达3.9 亿件, 每年用于制造刀具的硬质合金超过5000吨。

可见切削加工仍然是目前国际上加工制造精密金属零件的主要办法。

19世纪中期, 人们开始对金属切削过程的研究, 到现在已经有一百多年历史。

由于金属切削本身具有非常复杂的机理, 对其研究一直是国内外研究的重点和难点。

过去通常采用实验法, 它具有跟踪观测困难、观测设备昂贵、实验周期长、人力消耗大、综合成本高等不利因素。

本文利用材料变形的弹塑性理论, 建立工件材料的模型,借助大型商业有限元软件ANSYS, 通过输入材料性能参数、建立有限元模型、施加约束及载荷、计算, 对正交金属切削的受力情况进行了分析。

以前角10°、后角8°的YT 类硬质合金刀具切削45号钢为实例进行计算。

切削厚度为2 mm时形成带状切屑。

提取不同阶段应力场分布云图, 分析了切削区应力的变化过程。

这种方法比传统实验法快捷、有效, 为金属切削过程的研究开辟了一条新的道路。

2设计要求根据有限元分析理论，根据ANSYS的求解步骤，建立切削加工的三维模型。

对该模型进行网格划分并施加约束边界条件，最后进行求解得出应力分布云图，并以此云图分析得出结论。

3金属切削简介［3］金属切削过程，从实质讲，就是产生切屑和形成已加工表面的过程。

产生切屑和形成已加王表面是金属切削时密切相关的两个方面。

3.1切削方式切削时，当工件材料一定，所产生切屑的形态和形成已加工表面的特性，在很大程度上决定于切削方式。

切削方式是由刀具切削刃和工件间的运动所决定，可分为：直角切削、斜角切削和普通切削三种方式。

3.2切屑的基本形态金属切削时，由于工件材料、刀具几何形状和切削用量不同，会出现各种不同形态的切屑。

金属切削理论大作业2017年04月1基于ANSYS金属切削过程的有限元仿真付振彪，2016201064天津大学机械工程专业2016级研究生机械一班摘要：本文基于材料变形的弹塑性理论，建立了材料的应变硬化模型，采用有限元仿真技术，利用有限元软件ANSYS，对二维正交金属切削过程中剪切层及切屑的形成进行仿真。

从计算结果中提取应力应变云图显示了工件及刀具的应力应变分布情况，以此对切削过程中应力应变的变化进行了分析。

关键词：有限元模型；切削力；数学模型；二维模型；ANSYS1 绪论1.1金属切削的有限元仿真简介在当今世界，以计算机技术为基础，对于实际的工程问题应用商业有限元分析软件进行模拟，已经成为了在工程技术领域的热门研究方向，这也是科学技术发展所导致的必然结果。

研究金属切削的核心是研究切屑的形成过程及其机理，有限元法就是通过对金属切屑的形成机理进行模拟仿真，从而达到优化切削过程的目的并且可用于对刀具的研发。

有限元法对切屑形成机理的研究与传统的方法相比，虽然都是对金属切削的模拟，但是用有限元法获得的结果是用计算机系统得到的，而不是使用仪器设备测得的。

有限元法模拟的是一种虚拟的加工过程，能够提高研究效率，并能节约大量的成本。

1.2研究背景及国内外现状最早研究金属切削机理的分析模型是由Merchant [1][2]，Piispanen[3]，Lee and Shaffer[4]等人提出的。

1945 年Merchant 建立了金属切削的剪切角模型，并确定了剪切角与前角之间的对应关系这是首次有成效地把切削过程放在解析基础上的研究，成功地用数学公式来表达切削模型，而且只用几何学和应力-应变条件来解析。

但是材料的变形实际上是在一定厚度剪切区发生的，而且它假设产生的是条形切屑，所以该理论的切削模型和实际相比具有很大的误差。

1951 年，Lee and Shaffer 利用滑移线场(Slip Line Field)的概念分析正交切削的问题。

高速切削技术研究第一部分高速切削技术的定义与特点 (2)第二部分高速切削刀具材料与磨损机理 (4)第三部分高速切削机床的选型与应用 (7)第四部分高速切削参数优化方法 (10)第五部分高速切削过程的热控制技术 (13)第六部分高速切削加工精度与表面质量 (15)第七部分高速切削在典型零件加工中的应用 (17)第八部分高速切削技术的发展趋势与挑战 (20)第一部分高速切削技术的定义与特点高速切削技术是一种先进的制造工艺，它通过使用高转速的刀具和优化的切削参数来提高材料去除率、加工精度和表面质量。

该技术的核心在于实现高效率、高质量和高精度的加工过程。

在高速切削过程中，刀具以极高的速度旋转（通常超过每分钟数千转），同时进给速度也相应提高。

这种高速旋转产生的离心力有助于减小切削力和切削热，从而延长刀具寿命并减少工件的热变形。

此外，由于切削力的降低，高速切削还可以减少振动，进一步提高加工精度。

高速切削技术的优势主要体现在以下几个方面：1.高效率：与传统切削相比，高速切削可以显著提高材料去除率，缩短加工时间。

研究表明，高速切削可以提高生产效率达 30%至50%。

2.高精度：高速切削过程中的低切削力可以减少工件的振动，从而提高加工精度。

此外，由于切削热的影响较小，工件的热变形也得到了控制。

3.高质量表面：高速切削产生的切削热较低，这有助于减少工件的烧伤和裂纹，从而获得更好的表面质量。

4.刀具寿命延长：高速切削可以降低切削力，减少刀具磨损，从而延长刀具的使用寿命。

5.节能减排：高速切削技术可以实现更高的材料去除率，从而减少能源消耗和碳排放。

然而，高速切削技术也存在一些挑战，如刀具成本较高、对机床性能要求较高等。

因此，在实际应用中，需要根据具体加工需求和技术条件，合理选择切削参数和刀具，以确保高速切削技术的有效性和经济性。

总之，高速切削技术作为一种先进的制造工艺，具有高效率、高精度、高质量表面等优势，但在实际应用中需充分考虑其成本和设备要求。

江苏科技大学本科毕业设计（论文）学院机电与汽车工程学院专业机械电子工程学生姓名周华兵班级学号1145523238指导教师邱小虎二零一五年六月江苏科技大学本科毕业论文基于Ansys的金属切削过程分析研究Research on metal cutting process based on Ansys摘要本文通过对金属切削过程进行深入的理论分析，以材料变形的弹塑性有限元理论为基础，建立了45号钢材料的正交切削有限元分析模型，借助大型商业有限元软件ANSYS 强大的大变形分析功能，对45号钢材料正交金属切削过程进行了模拟分析。

对切削过程中的两个重要部分：应力场、温度场进行模拟分析。

由于在现有的ANSYS软件中，用于切削过程分析中的直接热结构耦合单元较少，且分析过程大多不稳定，难度较大，在本文中分别采用不同的单元类型和分析类型将应力和热分开分析，得到更稳定直观的分析结果。

在应力场分析中，讨论了工件的残余应力、残余应变、切削过程中工件、切屑、刀具的应力分布，以及工件与切屑的接触类型，切削分离等问题。

在温度场分析中，单独考虑工件与刀具的接触类型，为相对滑动，因此建立了两者的滑动摩擦分析模型，通过模拟切削过程中的摩擦生热，分析了工件和刀具在切削过程中的温度场分布。

通过对金属切削过程的模拟研究，能得到直观的变量数据，对深入研究切削机理、设计和选用相关的切削工艺参数提供重要的理论指导和参考依据。

关键词：ANSYS；金属切削；有限元；应力场；温度场AbstractMetal cutting process is theoretically analyzed in the paper，Based on the elastic-plastic finite element theory of material deformation，The FEA model of the orthogonal cutting of 45 steel materials is established，With the large commercial finite element software ANSYS powerful large deformation analysis function，A simulation analysis of the orthogonal metal cutting process of the 45 steel material is carried out.Two important parts of cutting process: stress field and temperature field simulation analysis.Because of the existing ANSYS software, the direct thermal structure coupling unit is less, and the analysis process is mostly unstable, and it is difficult to process.In this paper, the stress and heat of different element types and analysis types are separately analyzed, and more stable and intuitive results are obtained.In the analysis of stress field, and discusses the workpiece residual should force, residual strain, cutting in the process of workpiece and cutting chip, tool stress distribution, and the workpiece and chip contact type, the cutting separation.In the temperature field analysis, the contact types of the workpiece and the cutter are considered separately, and the sliding friction model is established,Through the simulation of friction heat in the cutting process, analyzes the distribution of workpiece and cutting tool in the cutting process the temperature field.Through the simulation study on the metal cutting process, intuitive variable data, in-depth study of cutting mechanism, design and selection of the cutting parameters provide important theoretical guidance and reference for.Keywords: ANSYS;metal cutting;FEA;stress field; temperature field目录第一章绪论------------------------------------------------------------ 1 1.1 研究的目的和意义---------------------------------------------------- 11.1.1研究目的---------------------------------------------------------11.1.2研究意义---------------------------------------------------------2 1.2金属切削过程有限元模拟的国内外研究现状-------------------------------21.2.1国外研究现状-----------------------------------------------------21.2.2国内研究现状-----------------------------------------------------3 1.3金属切削模拟技术存在的问题-------------------------------------------3 1.4 ANSYS----------------------------------------------------------------41.4.1简介-------------------------------------------------------------41.4.2 ANSYS分析计算流程----------------------------------------------- 5 1.5本论文的主要工作-----------------------------------------------------6 第二章金属切削理论基础------------------------------------ 72.1金属切削变形理论-----------------------------------------------------72.1.1金属切削过程概述-------------------------------------------------72.1.2金属切削变形的三个变形区域---------------------------------------7 2.2切削力的来源---------------------------------------------------------8 2.3金属切削过程中的应力-------------------------------------------------9 2.4金属切削温度场理论--------------------------------------------------112.4.1切削温度场的概述------------------------------------------------112.4.2切削热的产生与传出----------------------------------------------12 第三章金属切削过程的有限元建模与分析---------------------------143.1金属切削应力场的有限元分析------------------------------------------143.1.1建立几何模型----------------------------------------------------143.1.2材料属性及材料的本构关系----------------------------------------153.1.3建立有限元模型与网格划分----------------------------------------163.1.4定义接触对------------------------------------------------------173.1.5求解设置--------------------------------------------------------18 3.2金属切削温度场有限元分析--------------------------------------------203.2.1建立几何模型----------------------------------------------------203.2.2定义材料属性----------------------------------------------------203.2.3建立有限元模型与网格划分----------------------------------------203.2.4定义接触对------------------------------------------------------213.2.5求解设置--------------------------------------------------------22 第四章金属切削有限元分析结果-------------------------------------244.1金属切削应力场有限元分析结果----------------------------------------244.1.1切屑等效塑性应变分布--------------------------------------------244.1.2切屑等效应力分布------------------------------------------------264.1.3刀具的应力分布--------------------------------------------------29 4.2金属切削温度场有限元分析结果----------------------------------------32 第五章总结与展望----------------------------------------------------345.1总结----------------------------------------------------------------34 5.2未来展望------------------------------------------------------------34 致谢-------------------------------------------------------------------- 36参考文献--------------------------------------------------------------- 37第一章绪论1.1研究的目的和意义1.1.1研究目的在机械制造行业中，金属切削是一种非常重要的加工方式。

3.2提高企业竞争力随着工业发展的转型升级，其机械化水平在飞速提高。

机械设备朝着大型化、信息化的方向发展。

在高科技、高尖端器械出现的同时，对其进行维修的技术含量也在不断提高，这也体现了维修的重要性，给维修企业带来广阔的发展前景。

提高维修技术、优化维修服务对汽车维修企业的生存发展十分重要。

在经济全球化的大趋势下，企业不仅要面对国内同行的激烈竞争，还要面对国际市场的挑战，企业想要更好的生存和发展，提高竞争力十分必要。

在重视“绿色”发展的当下，政府对“绿色产业”的重视程度不断提高，出台相关的保护政策，更好的推进“绿色产业”的发展。

“绿色企业”是这个时代企业发展的主流，只有在汽车维修企业中推广“绿色维修”才能抢占市场先机，获得更好的发展机会。

环境污染程度大、资源利用率低的汽车维修企业，其发展的局限性显而易见。

汽车维修企业推广“绿色维修”，需要选择先进的科学的维修技术和新型环保材料，实现企业经济效益的同时，实现社会效益和环境效益。

只有这样的维修企业，才能在社会发展过程中，成为汽车维修行业的最大获益者，激烈竞争下的生存者。

传统的汽车维修企业必将遭到淘汰。

在汽车维修企业中推行“绿色维修”，无论是对企业自身、行业发展，乃至社会国家的发展，都有不可估量的价值。

4结束语“绿色维修”可以对经济效益的增长和环境效益的增加起到双管齐下的作用。

最大程度地减少资源和能源的使用量，降本增效，为生态环境的保护贡献自己的力量。

无论从经济发展的视角，还是从环境保护和社会发展的角度分析，“绿色维修”都是符合五大发展理念。

“绿色维修”使多方面的综合性的体系模式，推行“绿色维修”也是有利于可持续发展，“绿色维修”在汽车维修企业的不断推广，是实现维修行业可持续发展的重要手段。

参考文献［1］周红，李辉，张云杰.“绿色维修”及其在维修企业中推行的价值［J］.价值工程，2002（6）：36-38.［2］程会强，吴玉锋.绿色维修战略与循环经济［J］.再生资源与循环经济，2009，2（7）：27-30.［3］陈宇晓.绿色维修的实施策略［J］.设备管理与维修，2003（10）：9.〔编辑李波〕基于ANSYS Workbench的高速电主轴静动态性能仿真分析及优化丘立庆(南宁职业技术学院,广西南宁530008)摘要：采用有限元分析软件ANSYS Workbench18.0建立电主轴三维有限元模型,进行静态力学分析和模态分析。

论文题目:基于ANSYS的切削加工过程温度场的分析学生姓名：所在院系：机电学院所学专业：机械设计制造及其自动化导师姓名：完成时间：摘要在切削金属过程中所消耗的能量几乎90% 以上都转化为热, 致使工件、切屑和刀具的温度都上升, 其中刀具的温升与切削机理及切削参数密切相关, 并且直接影响刀具的磨损及其使用寿命.以传热学为基础,用有限差分数值方法, 对二元切削加工过程中切削区域温度场进行了计算机模拟。

并以金刚石和硬质合金刀具切削钛合金为例, 进行了切削温度计算。

经ANSYS分析, 模拟计算效果图与实测切削温度值吻合良好。

这不削计算机模拟是可行的,同时也为探索难加工材料的切削加工特性提供了一种新的解析方法,可节省大量实验,为进一步预测最佳切削过程、指导新型刀具材料的开发奠定了基础。

关键词：ANSYS，切削温度，解析预测，有限差分AbstractBased on heat transfer, by using a finite difference numerical method and per2sonal computer, temperature field at cut ting area in two dimensional machining processes is pre2dicted. Take machining titanium alloy by using diamond too l and carbide too l for examples, the cutting temperature is calculated. The calculated temperature is in good agreement with that measured. This indicates that computer simulation of cutting temperature is applicable. It also provides a new analytic method for the study of cutting and processing features of hard process2ing materials. A large amount of experiments will be saved thus. It lay a for p redict2ingthe optimum cut ting process and instructing the development of new cutter materials.Key words：ANSYS，Cut ting temperature，Analytic prediction，Finite difference目录1绪论 (1)1.1概述 (1)1.2 研究切削温度的意义 (1)1.3 切削温度在国内外的研究现状 (2)1.4研究目的、意义和内容 (2)2.ANSYS软件简介 (3)2.1 ANSYS 的定义 (3)2.2 ANSYS软件的内容 (3)2.3 ANSYS软件提供的分析类型 (4)3 ANSYS 对物体的热分析 (5)3.1热分析简介 (5)3.2 ANSYS热分析特点 (5)4 ANSYS在实例中的应用 (6)4.1 定义工作文件名和工作标题 (6)4.2 定义单元类型 (7)4.3 定义材料性能参数 (8)4.4建模 (12)4.5划分网格 (15)4.6加载求解 (18)4.7查看结果 (22)4.8 结果分析 (22)5致谢 (23)6参考文献 (24)1绪论1.1概述在机械制造业中,虽然已发展出各种不同的零件成型工艺,但目前仍有90 %以上的机械零件是通过切削加工制成。